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中國機床網(wǎng)   傳統的龍門(mén)刨床電氣控制系統普遍采用接觸器繼電器控制技術(shù)。由于采用硬點(diǎn)接觸且連線(xiàn)復雜，因此電氣系統時(shí)常發(fā)生觸點(diǎn)故障，使龍門(mén)刨床經(jīng)常處于停機維修狀況，不能保證正常生產(chǎn)。作者曾經(jīng)應用PLC對多臺龍門(mén)刨床電氣控制系統進(jìn)行過(guò)改造，對龍門(mén)刨床各個(gè)運動(dòng)部件的控制總結了一套成熟的解決方案。本文著(zhù)重介紹一種運用PLC控制調速器，結合減速裝置實(shí)現刀具自動(dòng)進(jìn)給控制系統。該方案替換了原機械式進(jìn)刀量控制機構，極大地改善了進(jìn)刀精度和可操作性，并具有很好的可移植性，可廣泛應用于各種機床的進(jìn)刀系統控制。
    以BQ 2020型龍門(mén)刨床電器控制系統為例，它的刀架進(jìn)刀機構為機械式進(jìn)刀方式，其傳動(dòng)示意圖如下圖所示。蝸桿經(jīng)電動(dòng)機傳動(dòng)從而帶動(dòng)蝸輪轉動(dòng)，齒輪處在左位時(shí)，進(jìn)刀機構處在進(jìn)給工位，結合子1和結合子2結合，進(jìn)刀機構處在快速工位。當齒輪處在右位時(shí)，結合子3和結合子4結合，超越離合器帶動(dòng)齒輪旋轉。通過(guò)改變超越離合器可轉動(dòng)的角度，使齒輪轉動(dòng)不同的角度，從而獲得刀架不同的進(jìn)給量。傳統的龍門(mén)刨床多采用該類(lèi)型的刀架進(jìn)給機構，是典型的間歇進(jìn)給運動(dòng)。在實(shí)際使用過(guò)程中，進(jìn)給電動(dòng)機頻繁正反轉，機械沖擊大，電器故障多，超越離合器易磨損，經(jīng)常出現進(jìn)刀不均或進(jìn)刀無(wú)力的現象，此種機構故障多且維修量大。本文提出的自動(dòng)進(jìn)給控制方案，可以有效地解決這些問(wèn)題。

1 整體改造方案

    改造后的龍門(mén)刨床主控系統采用PLC，實(shí)現其全部工作過(guò)程自動(dòng)控制，包括橫梁上下、刀架移動(dòng)、抬刀落刀、工作臺自動(dòng)往復運動(dòng)及聯(lián)鎖保護、報警等。PLC的硬件設計基本上按照常規進(jìn)行。本設計中不直接用PLC的輸出繼電器帶動(dòng)交流接觸器，而是在每個(gè)輸出觸點(diǎn)后面增加了一個(gè)24 V的直流繼電器，用該繼電器的觸點(diǎn)驅動(dòng)負載，不僅可以擴展輸出點(diǎn)數，提高通用性，也對PLC的輸出繼電器起到了保護作用。其中工作臺拖動(dòng)電機的起動(dòng)、停止、正反轉以及轉速調節由PLC控制調速裝置完成，取代原有的繼電器接觸器控制系統和交直流發(fā)電機組拖動(dòng)裝置。橫梁升降仍然用原有的電動(dòng)機，抬刀仍然保留原有的電磁鐵，但是都由PLC統一控制。龍門(mén)刨床的整體系統控制結構。

2 刀架自動(dòng)控制方案

2.1 刀架工作方式的控制

本文提出的刀架工作方式。

    龍門(mén)刨床的刀架分為垂直刀架、左側刀架和右側刀架，其動(dòng)作原理基本一樣，只是位置不同，現以垂直刀架為例進(jìn)行說(shuō)明。

    刀架的移動(dòng)分為手動(dòng)快速移動(dòng)和自動(dòng)進(jìn)給兩種工作方式，由控制柜面板上的刀架工作方式選擇開(kāi)關(guān)給PLC發(fā)送指令進(jìn)行選擇。變頻器輸出頻率由兩個(gè)電位器給定，WR1決定快移速度；WR2決定自動(dòng)進(jìn)給速度；由操作人員根據需要隨時(shí)進(jìn)行調節。

    當需要刀架快移對刀時(shí)，刀架工作方式選擇開(kāi)關(guān)選擇“快移”方式，由按鈕通過(guò)PLC控制變頻器的狀態(tài)，進(jìn)而控制電機運轉的起停，電動(dòng)機的轉速由WR1給定。

    在需要刀架自動(dòng)進(jìn)給時(shí)，刀架工作方式選擇開(kāi)關(guān)選擇“進(jìn)給”方式，此時(shí)，電動(dòng)機的轉速由WR2給定。每次工作臺由前進(jìn)轉換到后退時(shí)，PLC接通抬刀電磁鐵的電源，刨刀抬起，同時(shí)刀架完成進(jìn)給動(dòng)作。當工作臺由后退轉換到前進(jìn)時(shí)，抬刀電磁鐵線(xiàn)圈斷電，刨刀彈簧復位落下。當自動(dòng)進(jìn)給行程結束后，刀架撞擊行程開(kāi)關(guān)，刀架以快移速度快速返回，可以設置另一行程開(kāi)關(guān)控制刀架停止，也可以由操作人員手動(dòng)停止。另外還有一個(gè)手動(dòng)抬刀控制開(kāi)關(guān)在選刀架時(shí)使用。

2.2 刀架進(jìn)刀量的控制

    刀具進(jìn)給時(shí)，由PLC通過(guò)變頻器調速裝置控制刀架進(jìn)給電機的起動(dòng)和停止，進(jìn)刀量則由每次電動(dòng)機運轉的時(shí)間△t和電動(dòng)機的轉速決定。

    設電動(dòng)機的轉速為n轉/分，每次進(jìn)給時(shí)轉動(dòng)的時(shí)間為△t秒，傳動(dòng)絲杠的螺距為L(cháng)毫米，則進(jìn)給當量為：

δ=△t×n×L/60 （mm）（1）

（1）式中傳動(dòng)絲杠的螺距L是固定的，△t在PLC中由專(zhuān)業(yè)人員通過(guò)修改程序參數設定，一般也不需要變更。在△t和L不變的情況下，自動(dòng)進(jìn)刀量可通過(guò)控制柜上的速度調節電位器WR2調整電機的轉速來(lái)調節，方便工人的現場(chǎng)操作。

2.3 刀架進(jìn)刀量的精度控制

    一般來(lái)說(shuō)，PLC能夠很好地保障△t的精度，傳動(dòng)絲杠的螺距L的精度也可以保證，所以電機轉速的穩定性是保證進(jìn)刀量精度的關(guān)鍵。

    龍門(mén)刨床的刀架在自動(dòng)進(jìn)刀時(shí)的進(jìn)刀量通常都為幾個(gè)毫米，如果由電動(dòng)機直接帶動(dòng)絲杠，電機轉速相應就要調得很低，而低速狀態(tài)下電機轉速的變化率高，同時(shí)，由于交流異步電動(dòng)機起動(dòng)的時(shí)間難于精確控制，從而會(huì )引起較大的誤差。為了減少誤差，我們在電機和刀架傳動(dòng)絲杠之間加裝了減速箱，這樣，電機就可以工作在較高的速度上，時(shí)間也可以加長(cháng)。轉速不穩和起動(dòng)時(shí)間不確定性所造成的誤差就可以大大減小。

    舉例來(lái)說(shuō)，設進(jìn)刀量為2 mm，傳動(dòng)絲杠的螺距L為2 mm，由電動(dòng)機直接帶動(dòng)絲桿，電動(dòng)機轉速調節到20 r/min，按照理想的情況，電動(dòng)機不需要起動(dòng)時(shí)間，由（1）式可以計算出電動(dòng)機運行時(shí)間需要3 s。但是，如果電動(dòng)機起動(dòng)時(shí)間由±0.6 s的變化范圍，就有可能造成20%左右的誤差。如果加上30∶1的加速器，誤差就可以控制在1%之內，可以滿(mǎn)足加工要求。在實(shí)際設計時(shí)，由于電機的轉動(dòng)時(shí)間設定和速度調節都有很好的自由度，減速箱的減速比設定主要考慮電機的額定轉速和進(jìn)刀速度要求，以使電機可以有較高的工作效率和穩定性。

3 進(jìn)刀機構拖動(dòng)電源的設計

    龍門(mén)刨床工作臺有直流和交流兩種拖動(dòng)方案，進(jìn)刀機構的拖動(dòng)方案也有交流和直流兩種。如果選用直流電動(dòng)機，可采用各種品牌的直流數字調速裝置進(jìn)行控制。如果選用交流電動(dòng)機，可以采用各種品牌的變頻器，用以對各類(lèi)交流電機進(jìn)行調速控制。

3.1 直流拖動(dòng)方式

    以實(shí)際采用的SSD 950+為例，它是一種全數字式直流調速裝置，使用一個(gè)內部的電流環(huán)和一個(gè)外部的速度環(huán)來(lái)控制直流電動(dòng)機，可以采用電樞電壓反饋，具有IR補償，也可采用編碼反饋，或模擬測速電機反饋；考慮到工作環(huán)境和性?xún)r(jià)比，本方案選用測速電機反饋，速度范圍為100∶1，其工作原理。

    MB為直流電機，BR為直流測速電機，PLC控制的繼電器觸點(diǎn)KA16閉合時(shí)刀架快移，KA17閉合時(shí)刀架進(jìn)給，WR1、WR2為調速電位器。KA20、KA28閉合時(shí)電機正轉，KA21、KA28閉合時(shí)電機反轉。KA28是有故障時(shí)緊急停機用的常開(kāi)觸點(diǎn)，正常工作時(shí)加電處于閉合狀態(tài)。在進(jìn)刀機構中使用時(shí)，要求對刀準確，加工精度高，停機時(shí)間設為標準模式的下限0.1 s。

3.2 交流拖動(dòng)方式

    采用法國施耐德公司的ATV31系列變頻器作為進(jìn)刀電機的調速控制器，它提供豐富的軟件功能，操作簡(jiǎn)便，體積小，節省空間，具有可編程邏輯輸入。以本文所用的ATV31HU40N4型變頻器為例，其適用電機為4 kW的三相交流電機，使用方法。

    M為進(jìn)刀電機，RZ為電機制動(dòng)電阻，PO為直流母線(xiàn)正極性，它和PA+之間一定要有共用連接，KA16和KA17是由PLC控制的繼電器觸點(diǎn)，分別控制進(jìn)刀電機的快速移動(dòng)和刀架進(jìn)給，電機的轉速分別由安裝在控制柜上的電位器WR3和WR4調整，KA20和KA21分別控制電機的正轉和反轉，決定快移與進(jìn)刀的方向，KA29為緊急停機用的常開(kāi)觸點(diǎn)，正常工作時(shí)閉合，由PLC監控系統的工作狀態(tài)，在有故障時(shí)斷開(kāi)電機供電。

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